ReentrantLock 与 AQS 的原理与应用

2023-10-05 07:21:23

深入浅出：ReentrantLock 和 AQS 原理揭秘

可重入锁的本质：ReentrantLock

ReentrantLock 是 Java 中鼎鼎大名的可重入锁，它让一个线程可以多次获取同一把锁，杜绝了死锁的风险。它还有一个兄弟——AQS（AbstractQueuedSynchronizer） ，它是 ReentrantLock 背后的强大引擎，为多种同步组件奠定了基础。

同步核心：AQS

AQS 的核心是state 变量，它是一个整数，记录着锁的状态。当 state 为 0，锁是空闲的；当 state 为 1，锁被一个线程独占；当 state 大于 1，说明锁被多个线程共享。

AQS 巧妙地利用CAS（Compare-And-Swap）机制 来更新 state 变量。CAS 是一种乐观锁技术，它比较一个变量的预期值和实际值，如果相等，就将实际值替换为新值。当一个线程试图获取锁时，它使用 CAS 将 state 从 0 替换为 1。如果成功，线程就获得了锁；如果失败，说明锁已被其他线程占用，当前线程会加入等待队列。

AQS 还维护着一个FIFO（先进先出）队列 ，用于管理等待获取锁的线程。当锁释放时，AQS 会唤醒队列中的第一个线程，授予它锁。

ReentrantLock 的妙用

ReentrantLock 广泛应用于 Java 并发编程，它可以实现多种同步场景：

排他锁： 使用 ReentrantLock，你可以保护临界区，确保同一时间只有一个线程执行该代码块。
读写锁： ReentrantLock 支持读写锁，它允许多个线程同时读共享资源，但只允许一个线程写共享资源。
可中断锁： ReentrantLock 支持中断机制，当线程等待锁时，可以被其他线程中断。
可超时锁： ReentrantLock 支持超时机制，如果线程等待锁的时间超过指定时间，会自动放弃锁并抛出异常。

其他 AQS 同步器

除了 ReentrantLock，AQS 还提供了其他同步器实现，包括：

Semaphore： 用于限制同时访问资源的线程数量。
CountDownLatch： 用于等待一组事件完成。
CyclicBarrier： 用于等待一组线程到达某个屏障。
Exchanger： 用于在两个线程之间交换对象。

常见问题解答

什么是 ReentrantLock？
ReentrantLock 是 Java 中一种可重入锁，它允许同一个线程多次获取同一把锁。
什么是 AQS？
AQS 是 Java 中一个抽象同步框架，它为 ReentrantLock 等同步组件提供基础。
CAS 是什么？
CAS 是一种乐观锁机制，它比较一个变量的预期值和实际值，如果相等，就将实际值替换为新值。
ReentrantLock 如何实现可重入性？
ReentrantLock 通过维护一个计数器来实现可重入性，每当一个线程获取锁时，计数器加 1；当线程释放锁时，计数器减 1。只有当计数器为 0 时，锁才被真正释放。
AQS 如何确保锁的公平性？
AQS 提供了两种锁的实现：公平锁和非公平锁。公平锁保证线程获取锁的顺序与请求锁的顺序一致，而非公平锁则不保证。